响应面试验优化柿子皮多糖铬的制备工艺研究

苗旭忠 李秀芬 高艳艳 张雪 张禧庆 乔鲁芹

摘要：利用热水浸提法提取柿子皮多糖，并将柿子皮多糖与三价铬离子结合制备柿子皮多糖铬。以铬吸附率为指标，通过单因素和响应面法优化得到柿子皮多糖铬的最佳吸附工艺。结果显示柿子皮多糖铬的最佳工艺为：柿子皮多糖与氯化铬质量比6.7∶1.0，反应时间150 min，温度82 ℃，吸附液pH为5，此时氯化铬吸附率达92.81%。研究表明，柿子皮多糖可以高效结合三价铬离子，为研发绿色无污染的铬吸附剂或动物营养补充剂提供技术支持。

关键词：柿子皮；多糖；铬吸附；响应面试验

中图分类号：TS201.4   文献标志码：A   文章编号：1002-4026（2024）02-0127-08

Optimization of preparation of persimmon peel polysaccharide chromium

using response surface methodology

Abstract∶In this study， the hot water extraction method was utilized to extract polysaccharides from persimmon peel， and the persimmon peel polysaccharides were combined with trivalent chromium ions to prepare persimmon peel polysaccharide chromium. Considering the adsorption rate of chromium as the index， the adsorption process of persimmon peel polysaccharide chromium was optimized using single factor and response surface methodology. The results showed that the optimal preparation process of persimmon peel polysaccharide chromium consisted of the following steps， such as the mass ratio of persimmon peel polysaccharides to chromium chloride was set at 6.7∶1; the reaction time was 150 min; the temperature was set at 82 ℃; and the pH of the adsorption liquid was fixed at 5. Under these conditions， the maximum adsorption rate reached 92.81%. Therefore， this study has shown that persimmon peel polysaccharides can efficiently bind trivalent chromium ions， which can further provide technical support for the development of green pollution-free heavy-adsorption chromium adsorbents or animal nutritional supplements.

Key words∶persimmon peel; polysaccharide; chromium adsorption rate; response surface methodology

三价铬是动物和人类糖脂代谢过程的必要元素，适量食用可在机体内发挥降血糖作用，加速葡萄糖的利用，改善胰岛素的抵抗[1]。然而机体过量摄入铬元素有致癌风险，且土壤中过量的三价铬也会危害作物的生長[2-3]，目前我国存在水体、土壤铬金属污染情况，其中东江流域表层土壤中铬的质量分数平均值为45.72 mg/kg，黄河流域沉积物中铬的质量分数平均值为90.31 mg/kg[4-5]。当前处理铬离子的物理化学技术包括离子交换、膜分离、化学沉淀和吸附法[6]。吸附法由于操作方便和适应性强而受到欢迎[7-8]，但使用强碱、酸或螯合剂吸附铬离子会导致二次污染[9-10]。因此，有必要建立一种安全有效、可持续的铬离子吸附方法。天然多糖聚合物富含活性官能团（如羧基、羟基、氨基），展现出较大吸附铬离子的潜力，其可通过配位或静电相互作用实现金属离子的快速吸附，且来源丰富、成本低，具有可持续性、无毒性和可降解等优点[11]。

柿子作为经济作物在中国被广泛种植，在柿子加工过程中至少产生10%的柿子皮[12]，柿子皮富含多糖、多酚和单宁[13]。柿子皮多糖、多羟基和多羧基位点的特性使其具有高效吸附铬离子的能力，提取的柿子皮多糖可作为铬的吸附剂，可以解决柿子皮腐败造成的环境污染问题，同时提高其附加值。目前，已见报道的多糖铬研究涉及的多糖来源包括甜玉米芯[14]、山药[15]、南瓜皮[16]、苦瓜[17]、万年青[18]、黑木耳[19]、黄芪[20]和海藻[21]等，关于柿子皮多糖与铬复合工艺的研究尚未见报道。

本研究利用柿子皮多糖结合氯化铬制备柿子皮多糖铬，采用响应面法优化柿子皮多糖铬的制备工艺，并研究金属铬的吸附率，以期开发绿色铬吸附剂或柿子皮多糖铬动物营养补充剂，为柿子皮等农业副产物综合利用提供参考。

1 仪器与材料

1.1 仪器

Agilent7800电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）（美国安捷伦科技公司）；SECURA224-ICN电子天平（北京赛多利斯仪器有限公司）；S210 pH计（梅特勒-托利多仪器有限公司）；DKZ-2B水浴恒温振荡器（上海一恒科技仪器有限公司）；FD-304冷冻干燥机（济南骏德仪器有限公司）。

1.2 材料

干制柿子皮（潍坊青州）；氯化铬（分析纯，天津市凯通化学试剂有限公司）；盐酸（优级纯，天津市科密欧化学试剂有限公司）；氢氧化钠（分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司）；硝酸（优级纯，苏州晶瑞化学股份有限公司）；透析袋（截留分子量500 Da，怡康科贸生物试剂耗材试验有限公司）。

2 方法

2.1 柿子皮多糖的提取

采用热水浸提法提取柿子皮多糖[22]。取1 kg新鲜柿子皮，以1∶10的料液比加入去离子水，100 ℃下热水浸提两次，过滤收集滤液，浓缩后用4倍体积的无水乙醇醇沉，过夜静置后，4 000 r/min下离心15 min，收集沉淀得柿子皮粗多糖。用热水复溶柿子皮粗多糖，然后利用Sevage溶液（氯仿：正丁醇体积比为4∶1配置）除蛋白，重复操作7～8次至无蛋白层，去除有机溶剂后将多糖溶液浓缩并再次醇沉，4 000 r/min下离心15 min，冷冻干燥得到柿子皮多糖。

2.2 柿子皮多糖铬的制备工艺

将柿子皮多糖与三价铬离子复合制备柿子皮多糖铬[23]。配制0.2 g/L的柿子皮多糖，与一定浓度的氯化铬溶液等体积混合，调节多糖与氯化铬质量比（g/g，下称质量比）、吸附时间、吸附温度和吸附液pH后于恒温水浴振荡反应，反应结束后，加入4倍体积的无水乙醇过夜醇沉，4 000 r/min离心15 min，上清液保存备用，沉淀复溶后用500 Da的透析袋透析72 h，冷冻干燥得到柿子皮多糖铬。

2.3 单因素试验

在柿子皮多糖与氯化铬质量比为8：1，吸附时间为90 min，吸附温度为55 ℃，吸附液自然pH条件下（pH为4～5）条件下，按2.2 节进行操作。其他条件不变，设置质量比为4：1、8：1、12：1、16：1、20：1，考察质量比对吸附率的影响；设置吸附时间为90、120、150、180、210 min，考察吸附时间对吸附率的影响；设置吸附温度为45、55、65、75、85 ℃，考察吸附温度对吸附率的影响；设置吸附液pH为3、4、5、6、7，考察吸附液pH对吸附率的影响。

2.4 响应面试验

在单因素试验的基础上，以柿子皮多糖吸附铬的吸附率为响应值，以柿子皮多糖与氯化铬质量比、吸附时间、吸附温度和吸附液pH为自变量，进行4因素3水平响应面试验。采用Design Expert 8.0统计分析软件建立Box-Behnken模型，对吸附反应进行响应面优化设计。响应面试验设计因素与水平见表1。每组试验均重复3次，采用Design Expert 8.0.6进行数据统计分析，采用Origin 2017软件绘图。

3 结果与分析

3.1 单因素试验结果

多糖与氯化铬质量比对吸附率的影响见图1（a）。结果表明，随着多糖含量的增加，吸附率先升高后降低，当质量比为8：1时，吸附率达到最高值为87.57%。这种变化可能是因为柿子皮多糖分子中的结合位点完全被铬离子占据，柿子皮多糖不能吸附溶液中剩余铬离子，导致吸附率下降[24]，此外多糖分子与金属离子间的静电相互作用也会导致铬含量的降低[25]。故选择多糖与氯化铬质量比4：1、8：1、12：1进行后续试验。

吸附时间对吸附率的影响见图1（b）。随着吸附时间增加，吸附率先升高后降低，当吸附时间为150 min时，吸附率达到最大值为95.79%，继续延长吸附时间，吸附率反而降低。多糖和铬的结合在短时间内不稳定、不均匀，但时间过长会产生其他不必要的副产物，导致吸附率缓慢下降[26]。因此，选择时间120、150、180 min进行后续试验。

吸附温度对吸附率的影响见图1（c）。可以看出吸附温度对吸附率的影响较小，随着温度的升高，吸附率不断增加，但增加速率先快后慢，当温度为75 ℃时，吸附率增速最快，吸附率达96.20%。这可能是由于多糖空间结构的变化以及多糖和铬之间剧烈的分子运动引起的[27]。因此，选择吸附温度65、75、85 ℃進行后续试验。

吸附液pH对吸附率的影响见图1（d）。当pH为3时，吸附率较低，这可能是由于强酸性条件不利于铬离子与多糖链上的—OH结合和多糖结构的稳定[26]，此后吸附率随吸附液pH的增加而升高，在pH为5时吸附率达到最大值为92.0%，可能是由于多糖在弱酸性环境中发生自催化反应从而产生更多的羟基[28]，促进了多糖与铬离子的结合。当pH为6时，吸附率降低，此后再增大pH，吸附率趋于稳定，这与Lu等[24]的研究结果相似，因此，选择吸附液pH为4、5、6时进行后续试验。

3.2 响应面试验结果

3.2.1 响应模型的建立与分析

响应面试验结果见OSID附表，方差分析结果见表2。对试验数据进行回归分析，得到吸附率（Y）对柿子皮多糖-氯化铬质量比（A）、吸附时间（B）、吸附温度（C）和吸附液pH（D）的四元二次拟合回归方程为：

Y=89.23-8.37A+0.36B+4.23C-7.77D+2.22AB+1.09AC-5.81AD+0.69BC+1.01BD-1.10CD-9.70A2-6.28B2-2.97C2-15.05D2。（1）

由表2可知该模型差异性显著（P＜0.000 1），失拟项不显著（P＞0.05），说明此模型的拟合度较好；决定系数R2为0.983 1，说明吸附率的试验值和模拟回归值具有很好的一致性；校正后决定系数R2Adj为0.966 1，说明该回归方程可信度较高，能够反映96.61%的响应值变化。因此该模型的可信度和拟合度均较高，可以利用该模型对柿子皮多糖铬的吸附能力进行预测和分析。

回归模拟一次项A、C、D，交互项AD，二次项A2、B2、C2、D2对吸附作用影响显著（P＜0.000 1），一次项B，交互项AB、AC、BC、BD和CD对吸附作用影响不显著，可将其从回归模型中删除。最终确定回归模型为：

Y=89.23-8.37A+4.23C-7.77D-5.81AD-9.70A2-6.28B2-2.97C2-15.05D2。（2）

因此，各因素对响应面的影响并不是简单的线性关系，F值可以反映出各个因素对吸附率的影响程度[29]。本实验中吸附率的影响因素从大到小排序为多糖与氯化铬质量比、吸附液pH、吸附温度、吸附时间。

3.2.2 响应面图分析

由图2（a）可知，质量比与吸附时间两因素有一定的交互作用，质量比对响应值的影响程度大于吸附时间。随着质量比和吸附时间的增加，吸附率先增大后减小。当吸附时间为150 min时，反应基本完成，过长的吸附时间并不会显著提高响应值，反而可能会因水分的蒸发而导致吸附率下降。所以当质量比为6.7：1.0，吸附时间为150 min时，吸附率达到最大值。

由图2（b）可知，质量比与吸附温度两因素交互作用不显著，对吸附率的影响作用较小。质量比对响应值的影响大于吸附温度。随着质量比和吸附温度的增加，吸附率逐渐增大然后减小。当温度过高时，柿子皮多糖铬的稳定性降低，部分吸附产物分解导致吸附率降低，不利于柿子皮多糖-铬的合成。所以当质量比为6.7：1.0，吸附温度为82 ℃时，吸附率达到最大值。

由图2（c）可知，柿子皮多糖-铬质量比与吸附液pH两因素交互作用较强，由方差分析结果可知，两因素间交互作用对吸附率影响较显著。柿子皮多糖-铬质量比对响应值的影响大于吸附液pH。随着柿子皮多糖质量和pH的增加，吸附率逐渐增大然后减小。柿子皮多糖含量过高不利于多糖-铬的生成，因为柿子皮多糖含量过高，使其溶解度下降，导致吸附率下降。pH大于或小于5都不利于吸附反应的进行，pH较小时，游离的H+与铬离子竞争多糖上的结合位点；pH较大时，部分铬离子的溶解度下降，导致吸附率下降。所以当柿子皮多糖-铬质量比为6.7：1.0，pH为5时，吸附率达到最大值。

由图2（d）可知，吸附时间和吸附温度两因素交互作用不显著，对吸附率的影响作用较小。吸附温度对响应值的影响大于吸附时间。随着吸附时间延长和吸附温度升高，吸附率逐渐增大然后减小。这与吸附过程中水分的蒸发以及多糖-铬的稳定性有关。所以当吸附时间为150 min，吸附温度为82 ℃时，吸附率达到最大值。

由图2（e）可知，吸附时间与吸附液pH两因素交互作用不显著，对吸附率的影响作用较小。吸附液pH对响应值的影响大于吸附时间。随着吸附时间延长和吸附液pH增大，吸附率逐渐增大然后减小，这与吸附过程中水分的蒸发有关。当吸附时间为150 min，pH为5时，吸附率达到最大值。

由图2（f）可知，吸附温度与吸附液pH两因素交互作用不显著，对吸附率的影响作用较小。吸附液pH对响应值的影响大于吸附温度。随着吸附温度和吸附液pH的增大，吸附率逐渐增大然后减小。所以当吸附温度为82 ℃，pH为5时，吸附率达到最大值。

综合图2可知，柿子皮多糖-铬质量比和吸附液pH对吸附率的影响最为显著，吸附时间和吸附温度对吸附率的影响相对较小，柿子皮多糖-铬质量比和吸附液pH过高或过低都会导致吸附率降低，这与回归模型方差分析结果一致，说明模型显著可行。

3.2.3 回归模型验证

结合Design Expert 8.0.6软件分析可得最佳的吸附条件为：柿子皮多糖-氯化铬质量比为6.69：1.0，吸附时间为149.71 min，吸附温度为81.93 ℃，吸附液pH为4.78时，吸附率达到最大值为92.92%。为考虑实际生产需要，选择以下条件进行验证：柿子皮多糖-氯化铬质量比为6.7：1.0，吸附时间150 min，吸附温度82 ℃，吸附液pH为5时，在此条件下实际得到的柿子皮铬多糖吸附率约为92.81%，与预测值相差较小为0.11%，说明该工艺稳定可靠，可用于生产。

4 结论

在柿子皮铬多糖的制备过程中，各因素对吸附率的影响大小排序为：柿子皮铬多糖与氯化铬质量比、吸附液pH、吸附温度、吸附时间。通过响应面法优化后得到最佳制备工艺为：质量比为6.7：1.0，吸附时间150 min，吸附温度82 ℃，吸附液pH为5，在此条件下制备的柿子皮铬多糖吸附率约为92.81%。本试验为重金属吸附剂或动物营养补充剂提供了理论依据，提高了柿子资源的综合利用。

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